基于STEM教育理念的項目式學(xué)習(xí)探索
——以“單透鏡望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計與制作研究”為例

喬 蘭

“STEM”指的是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Tech?nology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathemat?ics）四門學(xué)科。STEM教育強(qiáng)調(diào)將對科學(xué)知識的解釋、科學(xué)探究實踐以及教授內(nèi)容與工程設(shè)計相結(jié)合，其目標(biāo)是整合各領(lǐng)域的知識、技能，將課堂學(xué)習(xí)的知識運用于實際生活，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。其教學(xué)過程需融合各學(xué)科知識，形式上多結(jié)合項目式教學(xué)，主要開展研究性學(xué)習(xí)，實現(xiàn)跨學(xué)科整合，關(guān)注新技術(shù)及其實踐應(yīng)用。

項目式教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生計劃、實施并投入的過程，相比普通的學(xué)習(xí)任務(wù)有著更強(qiáng)的實踐性。將“項目”這一概念與STEM教育相結(jié)合，可以讓學(xué)生在真實的問題情境中，聯(lián)系已有的知識，調(diào)查研究、大膽設(shè)計、反復(fù)測試，將生活經(jīng)驗與課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合；同時，教師在課堂教學(xué)中將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識相互融合，使學(xué)生在解決問題的過程中提高創(chuàng)新能力，增強(qiáng)其社會責(zé)任感，提高其學(xué)科綜合素養(yǎng)。

一、基于STEM教育理念的項目式教學(xué)

STEM教育理念下的項目式教學(xué)，強(qiáng)調(diào)將課堂教學(xué)與師生的生活實踐相結(jié)合，解決實際問題。所以，在課堂上如何呈現(xiàn)富有真實性、趣味性和挑戰(zhàn)性的研究項目，整合各學(xué)科相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的實踐能力，是教師需要思考的重要問題。本文中，筆者以“單透鏡望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計與制作研究”的課堂教學(xué)為例，說明在STEM教育理念的支持下，如何在物理課堂中實施項目式教學(xué)。

1.明確任務(wù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)。

在課堂正式開始之前，教師向?qū)W生介紹本課的學(xué)習(xí)任務(wù)：小組合作動手制作一架以針孔為目鏡的單透鏡望遠(yuǎn)鏡，分析望遠(yuǎn)鏡的制作參數(shù)對其成像效果的影響。

明確研究任務(wù)后，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下查找并學(xué)習(xí)幾何光學(xué)和物理光學(xué)的相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)成像的分辨率、像的大小、像的亮度等因素都會影響人們觀察像的清晰度時的主觀感受。受實驗條件的限制，筆者最終選擇以上三個因素作為評價望遠(yuǎn)鏡成像效果的標(biāo)準(zhǔn)。之后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從幾何光學(xué)和波動光學(xué)的角度深入研究小孔成像的過程，從理論上推導(dǎo)出分辨率與孔徑、物距和像距的關(guān)系，為后續(xù)學(xué)生自主實踐打下理論基礎(chǔ)。

2.引入項目，分組實驗。

基于以上理論基礎(chǔ)的鋪墊和對學(xué)生動手實踐能力的課前評估，筆者設(shè)計了兩個教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在循序漸進(jìn)的實踐過程中完成探究任務(wù)，提升自身科學(xué)素養(yǎng)。

教學(xué)環(huán)節(jié)1：自制開普勒式望遠(yuǎn)鏡的引入

帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入光學(xué)實驗室，為學(xué)生提供實驗器材，引導(dǎo)其自行組裝一臺開普勒式望遠(yuǎn)鏡，通過調(diào)試使之實現(xiàn)望遠(yuǎn)的功能，同時借助光學(xué)儀器分析開普勒式望遠(yuǎn)鏡成像的物理原理。

【設(shè)計意圖】通過活動調(diào)動學(xué)生的積極性，將書本上的知識應(yīng)用到實際生活中，激發(fā)學(xué)生的研究興趣，在實踐后將研究內(nèi)容回溯理論，引導(dǎo)學(xué)生分析成像原理、鞏固所學(xué)知識，在活動中感受知識的力量，產(chǎn)生學(xué)習(xí)的愿望和動力。

教學(xué)環(huán)節(jié)2：挑戰(zhàn)制作“單透鏡望遠(yuǎn)鏡”

在了解了開普勒式望遠(yuǎn)鏡的成像原理后，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考并討論是否可以用針孔代替凸透鏡作為目鏡，制作一架單透鏡望遠(yuǎn)鏡。

【設(shè)計意圖】在制作簡易開普勒式望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，設(shè)置新的有難度的問題，打開學(xué)生的思路，為學(xué)生制造挑戰(zhàn)自我的機(jī)會，在研究中學(xué)會先從理論角度利用自己的物理學(xué)科知識儲備，分析實驗的可能性，之后利用簡單的實驗器材進(jìn)行實驗，驗證理論的準(zhǔn)確性和可行性。

學(xué)生在以上課堂活動中分成三個小組，分別設(shè)計出不同材質(zhì)、性能的望遠(yuǎn)鏡，各項數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 望遠(yuǎn)鏡材料明細(xì)表

3.小組互評，展現(xiàn)風(fēng)采。

在課堂最后的評價環(huán)節(jié)，教師將學(xué)生分成匯報方、討論方及評價方，展開了一場熱烈而友好的討論交流會。

首先匯報方從課題分析、模型建立、理論分析、產(chǎn)品制作、評估與分析、結(jié)論、產(chǎn)品展示等環(huán)節(jié)對小組的研究過程進(jìn)行匯報。接著，討論方針對匯報方的匯報，結(jié)合本組的研究指出匯報方在各個環(huán)節(jié)研究的優(yōu)缺點，并針對問題提出需要進(jìn)一步深入研究的方向。在這個過程中，討論方小組的研究過程及成果也得到了展示。在雙方討論結(jié)束后，評論方就剛才雙方的討論內(nèi)容，概括雙方研究的重點問題，對雙方的陳述過程進(jìn)行評價，總結(jié)雙方的優(yōu)缺點，之后展示本組的研究過程及成果。

在以學(xué)生為主體的教學(xué)評價環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅展示了各自小組的研究成果，同時也在交流中發(fā)現(xiàn)了自己和對方研究中的優(yōu)點和不足，提高了自身創(chuàng)新、動手實踐、總結(jié)反思等各方面的綜合素質(zhì)和能力。

二、“STEM”項目式學(xué)習(xí)的收獲和反思

“單透鏡望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計與制作研究”以2017年IYPT比賽中第3題（https：//archive.iypt.org/poblems/）為靈感，結(jié)合學(xué)生的學(xué)情及我校作為“STEM教育基地”的特點，充分體現(xiàn)了STEM課程教育跨學(xué)科、項目式學(xué)習(xí)、解決生活中實際問題等特點。通過本項目的課堂教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為基于STEM教育理念的項目式教學(xué)應(yīng)注意以下三個方面。

1.依據(jù)學(xué)科知識建構(gòu)基礎(chǔ)模型，讓STEM項目學(xué)習(xí)有章可循。

STEM教育鼓勵學(xué)生在真實情境中開展科學(xué)探究，采用實驗設(shè)計、創(chuàng)意發(fā)明、手工制作等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。但是，STEM教育的目的不是培養(yǎng)“能工巧匠”，而是培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”，所以教師設(shè)計的研究項目中必須有基礎(chǔ)學(xué)科的知識原理滲透，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)學(xué)科知識對研究問題進(jìn)行科學(xué)的建模，明確學(xué)習(xí)過程中需要研究的具體方向。

2.在實踐探究中掌握科學(xué)知識和方法，形成科學(xué)精神。

STEM教育打破了“靜態(tài)的課堂”教學(xué)模式，鼓勵學(xué)生做中學(xué)、玩中學(xué)，形成以主動、探索、創(chuàng)造為特征的新型學(xué)習(xí)方式。但需要強(qiáng)調(diào)的是，STEM教育要把重點放在由學(xué)科知識理論引導(dǎo)下的有效的實踐探索中，并在過程中引導(dǎo)學(xué)生更深入地理解科學(xué)知識、掌握科學(xué)方法，進(jìn)而形成科學(xué)精神。

3.關(guān)注研究過程，收獲深刻的學(xué)習(xí)體驗。

在STEM教育的項目研究活動中，教師應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，允許學(xué)生犯錯、試錯，給學(xué)生提供組間表達(dá)、對話、建議的機(jī)會，讓學(xué)生在交流中認(rèn)識到自我的不足和優(yōu)勢，尋找問題深層次的科學(xué)原因，改進(jìn)研究方法，提高科學(xué)素養(yǎng)。

基于STEM教育理念的項目式學(xué)習(xí)利用跨學(xué)科的方式建立起科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)等學(xué)科知識之間的聯(lián)系，并強(qiáng)調(diào)將理論知識和實際社會應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)、協(xié)作和實踐，樹立終身學(xué)習(xí)的意識，提高科學(xué)創(chuàng)新和實踐能力，進(jìn)而獲得全面發(fā)展。